双向电能表的制作方法

背景技术：

电能表用于测量负载已从源消耗多少电能。通常，电能表耦合到连接在负载与源之间的电网。

技术实现要素：

本文公开使用本发明的电能表测量电能的系统和方法。在一个实施例中，用于多相电网的电能表包括具有初级侧和次级侧的电力变压器、耦合到电力变压器的次级侧的第一模拟前端(afe)单元以及耦合到电力变压器的初级侧的微控制器。第一afe单元将耦合到多相电网的第一相。微控制器被配置为经由电力变压器将数字化请求信号传输到第一afe单元并且经由电力变压器接收来自第一afe单元的测量信号。更具体地，第一afe单元在接收到数字化请求信号之后将从数字化请求信号提取信息。

在另一个实施例中，用于多相电网的装置包括具有初级侧和次级侧的电力变压器、耦合到电力变压器的次级侧的第一多个模拟前端(afe)单元、耦合到电力变压器的次级侧的第二多个afe单元，以及耦合到电力变压器的初级侧的微控制器。更具体地，第一多个afe单元中的每个将耦合到多相配电的单独相并且被配置为测量该特定相的电流。第二afe单元中的每个将耦合到多相电网的单独相并且被配置为测量该特定相的电压。微控制器被配置为经由电力变压器将数字化请求信号传输到第一afe单元和第二afe单元中的每个并且经由电力变压器从第一afe单元和第二afe单元接收测量数据。第一多个afe单元中的一个和第二多个afe单元中的一个将耦合到每个相。

在又一个实施例中，方法包括由耦合到电力变压器的初级侧的微控制器将数字化请求信号传输到多个模拟前端(afe)单元，其中每个afe单元耦合在电力变压器的次级侧与多相电网的一个相之间，在接收到数字化请求信号之后，激活多个afe单元，由第一afe单元测量多相配电的第一相的电流，由第二afe单元测量多相配电的第一相的电压，以及由第一afe单元和第二afe单元将多相配电的第一相的测量的电流和测量的电压传输到微控制器。

附图说明

为了详细描述本发明的示例性实施例，现在将参考附图，其中：

图1示出说明根据各种实施例的耦合到多相电网的电能表的框图；

图2示出进一步说明根据各种实施例的模拟前端(afe)单元的示例；

图3示出说明根据各种实施例的耦合到单相电网的电能表的示例；以及

图4示出说明根据各种实施例的使用公开的电能表测量电能的方法的流程图。

符号和术语

贯穿以下描述和权利要求使用某些术语来指代特定的系统组件。如本领域技术人员将认识到，公司可以通过不同的名称来指代组件。本文档无意区分不同名称而非功能不同的组件。在以下讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式被使用，并且因此应被解释为意味着“包括但不限于...”，而且，术语“耦合”或“耦连”意指间接连接或直接连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其它设备和连接的间接连接。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或多个可以是优选的，但所公开的实施例不应被解释为或以其它方式被用作对包括权利要求的本公开范围的限制。另外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着该实施例为示例性的，并且无意暗示包括权利要求的本公开的范围限于该实施例。

电能表从电网接收电流输入信号和电压输入信号。在典型的多相(例如三相)电能表中，用于三相的电流输入信号经由变流器(currenttransformer)来自三相电网，并且电压输入信号经由电阻分压器来自电网的三相。电流输入信号和电压输入信号由仪表采样，并且电流样本与电压样本相乘以获得电功率样本。随着时间累积这些能量样本提供消耗的电功率(能量)的指示。

进一步，一些电能表将电流输入信号和电压输入信号转换为数字输入样本，用于由微控制器进一步处理。通常，仪表中的单独输入通道用于三个电流和电压输入信号中的每个，并且每个输入通道包括其自己的模拟前端(afe)单元、变流器和/或分压器。这种方法通常被称为同步方法，因为所有输入信号都被并行和同步地被处理。使用该方法，每个输入通道的每个afe单元(在afe接收电流输入的情况下)经由专用变流器被耦合到电网以避免不匹配问题。afe单元通常与微控制器集成，意味着微控制器可以具有用于每个afe单元的专用输入。专用afe单元和变流器可以导致设计微控制器的复杂性增加，并且进而可以具有大的管芯尺寸。由于管芯尺寸可能为高价的，所以该方法可能不利地增加生产成本。

所公开的实施例涉及消除将afe单元与微控制器集成的需求的电能表。所公开的仪表的微控制器经由通信介质与afe单元通信，并且因此微控制器和afe单元中的每个具有到通信介质的单独连接。因此，微控制器不具有到各种afe单元中的每个的单独连接。在本文公开的示例中，通信介质为单个变压器。实施公开的仪表来测量电能可以有利地提供微控制器的较不复杂的设计，并且因此降低成本。

所公开的电能表可以不限于用于多相电网。根据各种实施例，仪表也可以在单相电网中被使用。

图1示出说明根据各种实施例的三相电能表180的框图100。说明性电能表180连接到三相电源122的三相a、b、c，三相电源122供给三相负载120。如以上所提到的，尽管图1所示的公开的电能表180为三相电能表，但是公开的电能表180可以被连接到多相电网或单相电网。为了清楚起见，以下讨论将限于实现用于三相电网的电能表180。然而，对于连接到单相电网的电能表，操作原理将关于图3的框图单独被提供。

仍然参考图1，说明性电能表180进一步包括微控制器单元(mcu)102、变压器104、六个afe单元106、108、110、112、114和116。根据说明性实施例，变压器104包括初级(p)侧和次级(s)侧。mcu102连接到初级侧，并且afe单元106、108、110、112、114和116连接到次级侧。

由于电能表180被配置为测量关于三相a、b和c的电能，所以在实施例中，每个相包括电流信号和电压信号。例如，相a包括电流信号ia，相b包括电流信号ib，并且相c包括电流信号ic。进一步，每个相处的电流信号和电压信号分别经由电阻元件(例如，136、138和140)和分压器(例如，vda、vdb和vdc)耦合到afe单元。更具体地，对应于相a的电流信号ia经由电阻元件136被转换成电压信号via，并且该电压信号由afe单元106接收。对应于相b的电流信号ib经由电阻元件138被转换成电压信号vib，并且该电压信号由afe单元108接收。对应于相c的电流信号ic经由电阻元件140被转换成电压信号vic，并且该电压信号由afe单元110接收。还更具体地，每个相处的电压信号经由分压器被转换成对应的afe单元被配置为接收的电压(例如，va、vb和vc)。例如，afe单元112被配置为经由分压器vda接收对应于相a的va。afe单元114被配置为经由分压器vdb接收对应于相b的vb。afe单元116被配置为经由分压器vdc接收对应于相c的vc。

继续图1，根据各种实施例，变压器104为被配置在变压器的初级侧与次级侧之间传输数字信号的数字变压器。此外，变压器104优选被实施为集成在印刷电路板(pcb)上的电路。

图2示出进一步说明根据各种实施例的afe单元106的示例。图1的其它afe单元可以共享与afe单元106相同的架构和操作原理。如图2所示，afe单元106进一步包括模数转换(adc)单元202、恢复电路204和收发器206。

更具体地，adc单元202耦合到电网并且被配置为数字化输入电压(via)。收发器206耦合到变压器104的次级侧并且被配置为通过变压器104接收来自mcu102的信号/通过变压器104将信号传输到mcu102。耦合到收发器206的恢复电路204被配置为恢复由收发器206接收的信号。进一步，恢复电路204从恢复的信号提取信息，诸如时钟信息和数据信息。

通常，时钟信息用于使每个afe单元同步。在一些实施例中，所提取的数据可以包括执行的指令。此类执行的指令连同时钟信息一起可以由mcu102使用以指定哪个afe单元将从电网检索电流信号或电压信号以及哪个afe单元可操作以将数字化的电流信号或电压信号传输回mcu102。

例如，基于所提取的时钟信息和数据信息(由恢复电路204提取的)，在第一分钟期间，afe单元106由mcu102分配以检索via并数字化检索到的via。在随后的一分钟期间，afe单元106可以由mcu102分配以经由变压器104(由收发器206)将数字化via传输到mcu102。根据说明性实施例，afe单元106、108、110、112、114和116中的每一个可操作以检索和数字化电流信号或电压信号或经由变压器104将数字化信号传输到mcu102。mcu102可以通过变压器104顺序地与每个afe单元106-116通信。将关于图4中的流程图讨论电能表180的操作的进一步细节。

图3示出说明要耦合到单相电网的电能表300的替代示例。在图3中，电能表300连接到单相电网，在单相电网中源301经由单相线333和中性线335向负载303供给功率。

电能表300被配置为通过测量流过线333和线335的电流信号来估计单相电能消耗。流过线333的电流信号为isp；流过中性线的电流信号为ineutral。更具体地，电能表300接收测量的电压信号vsp和电压信号vneutral，电压信号vsp和电压信号vneutral分别由电阻元件313和电阻元件315从电流信号isp和电流信号ineutral转换。

仍参考图3，电能表300以与图1的电能表180的架构类似的架构来实现。如图3所示，电能表300包括mcu102、变压器104以及afe单元302和afe单元304。在一些说明性实施例中，afe单元302和afe单元304连接到变压器104的次级侧，并且mcu102连接到变压器104的初级侧。

afe单元302被配置为接收经转换的电压信号vsp(其代表电流isp)并且进一步数字化所接收的电压信号vsp。afe单元304被配置为接收经转换的电压信号vneutral(代表ineutral)并且进一步数字化所接收的电压信号vneutral。为了清楚说明的目的，仅示出被配置为接收经转换的电流信号(即，isp和ineutral)的afe单元(即，302和304)。也就是说，其它afe单元可以被包括在仪表300中，但是可以不被使用。

根据各种实施例，电能表300的操作类似于电能表180中的一个。mcu102开始经由变压器104将数字化请求信号传输到afe单元。

图4示出根据各种实施例的使用所公开的电能表来测量电能的方法400的流程图。操作可以以所示顺序或以不同的顺序来实行。进一步，操作中的两个或更多个操作可以并行地被实行而替代顺序地被执行。

方法400通过由mcu102向afe单元中的一个传输数字化请求信号而在框402中开始。根据说明性实施例，经由变压器104传输的数字化请求信号包括功率，以及数据和时钟的信息。如以上所提及的，信息可以包括用于afe单元执行的各种指令，并且时钟信息可操作以使afe单元与mcu102同步。

在afe单元接收到请求信号之后，方法在框404中继续激活afe单元。更具体地，一旦afe单元接收到请求信号，afe单元就被请求信号的功率激活。激活的afe单元被配置为恢复请求信号，以便提取数据和时钟的信息。优选地，恢复和提取由afe单元的恢复电路(例如，204)来实行。

仍参考图4，在afe单元提取数据和时钟的信息之后，afe单元基于所提取的时钟信息与mcu102同步。进一步，afe单元被配置为执行所提取的数据信息(指令)。执行指令将方法400引导到框406，在框406中测量第一相的电流信号。随后，mcu102可以向另一个afe单元传输另一个数字化请求信号以激活afe单元。然后，方法400在框408处继续测量第一相的电压信号。更具体地，电压信号和电流信号的测量由afe单元执行，以从电网接收经转换的电压信号(例如，via、vib、vic、va、vb和vc)。

例如，mcu102经由变压器104将第一数字化请求信号传输到afe单元106。afe单元106接收和解码第一数字化请求信号并且从第一数字化请求信号提取指令。然后afe单元106开始接收电网的相a的via。在mcu102传输第一数字化请求信号之后，mcu102可以将第二数字化请求信号传输到afe单元112。类似地，afe单元112被配置为开始从电网接收va。

在afe单元在框406和框408中从电网接收经转换的电压信号(例如，via和va)之后，方法400在框410处继续数字化电压信号。在一些实施例中，每个afe单元的adc单元被配置为数字化所接收的电压信号。例如，afe单元106的adc单元202数字化所接收的电压信号via。

方法400在框412中继续由afe单元将握手信号传输到mcu102，并且由afe单元接收确认信号。更具体地，握手信号经由变压器104从afe单元被传输到mcu102。在示例中，握手信号可以使得mcu102能够确定传输握手信号的afe单元是否具有匹配的时钟信息。如果mcu102批准握手信号，则mcu102可以将确认信号传输到afe单元。

仍参考图4，在afe单元接收到确认信号之后，方法400在框414处继续经由变压器104将数字化电压信号传输到mcu102。在一些实施例中，每个afe单元的收发器被配置为传输数字化的电压信号。例如，afe单元106的收发器206经由变压器104将数字化电压信号传输到mcu102。

在mcu102接收到数字化电压信号之后，mcu102被配置为处理数字化电压信号并估计已由负载120消耗的第一相的电能的量。

以上讨论意味着对本发明的原理和各种实施例的说明。一旦完全理解以上公开内容，许多变化和修改对于本领域技术人员来说就将变得显而易见。随附权利要求意在被解释为包含所有此类变化和修改。